隔热保温技术

华中科技大学能源学院黄素逸

一隔热保温与节能

在热能转换、输送和使用过程中，都需要对热设备和输热管网进行隔热保温，以减少热能的损失。即使对于低温设备和管道，如冷库、制冷机组和空调管道也需要保温，以防制冷量损失。隔热保温不但可以节约能源，而且可以保证生产工艺过程的实施。

以蒸汽管网的隔热保温为例，我国蒸汽管网系统的年耗煤量达3.1亿吨标准煤，约占全国燃煤总耗量的1/3。整个系统的热能利用率仅为30%左右，每年由此而浪费的煤资源高达8000万吨标准煤，即相当于蒸汽系统总能耗的1/4以上。除了蒸汽泄漏，凝结水回收方面存在的问题外，管道保温不善也是耗能大的主要原因。例如一根长为1m，直径为219mm的蒸汽管道，如果不隔热，每年损失可达3~4t标煤，一个不隔热的0.1524mm的低压蒸汽阀门，一年的热损失相当于4t标煤的能量，一个直径为529mm的裸体法兰，一年将损失10t以上标煤的能量。据测试，一般由于管道输热而引起的热损失为总输热量的12%~22%，而保温良好的管网，其热损失则可降至5%~8%。当然与之对应的保温结构的费用也占整个管网成本的25%~40%，由此可见采用先进的隔热保温技术不但能够节约大量的热能，而且也能够降低整个热设备和管网的成本。例如北京燕山石化公司曾在直径为529mm长达1619mm的管道上进行了保温技术改造的工业试验，由于热损失减少，每年可节约燃料油526t。如在燕山石化总公司推广此项技术，则每年可节约燃料油1.6万吨。虽然强化保温措施后管网初投资将有所增加，但由于燃料费用的节约，初投资将在短时间内收回，视工程情况一般1~3年内即可收回投资。

二隔热保温的目的

隔热保温的目的并不仅仅在于节能，通常其目的有以下三方面：

1. 减少热损失，节约燃料

以减少热损失，节约燃料为目的时，经济性是首先应考虑的问题。如图1所示，对于选定的某一种保温材料，随着保温层厚度的增加，热损失费用减少（曲线A）；但敷设保温的费用却增加（曲线B）。图上曲线C表示总费用，总费用最小时所对应的厚度δ，就是最经济的保温层的厚度。

2. 满足用户工艺过程的要求

此时保温设计首先应当满足工艺上的要求，如通过热力管网送至某用户的蒸汽温度和压力，不能低于工艺流程所要求的给定值；其次才考虑经济性。

热用户的工艺要求是多方面的，例如在许多工程中，由于化学（或燃烧）反应后排放的废气中含有腐蚀性物质，废气的露点（即冷凝温度）要比环境空气温度高得多。如果管道（

或设备）尾部隔热较差，则废气温度将降至露点，腐蚀性气体将在管内壁冷凝，从而产生腐蚀作用。在这种情况下，隔热体的设计就要保证气体出口温度高于废气的露点。又如制冷工程中，为防止管外壁结露，保温设计应保证管外壁温度高于环境温度下空气的露点温度。此外在某些情况下保温还用于管道防冻，许多场合保温材料更兼有防火和隔离噪声的功能，这些在保温设计中都要充分予以考虑。

3. 满足一定的劳动卫生条件，保证人员安全

对于热设备和管道，为了防止工作人员被烫伤，保温的目的是使热设备或管道的表面温度不超过某一温度，例如对于供热管道当外表面包上金属皮时，通常为55℃，当外表面为非金属材料时保温层为60℃。对于某些特殊场合，如空分行业，由于液氮液氧的温度很低，与之接触也会引起严重的冻伤。因此对低温设备和管道进行保温设计时也应考虑人员安全的因素。值得注意的是，对于工业炉窑的炉体外表面温度允许较高，因为如果加厚了保温层，由于散热减少，炉壁耐火材料的工作温度相应增加，从而影响耐火材料的使用寿命。

三保温材料

隔热通常是通过在设备或管道外包上一层保温材料（又称热绝缘材料或隔热材料）而实现的。为了使保温材料长期可靠的使用，在保温层的外面还加了一层防护层。

1. 对保温材料的要求

1）保温性能好。导热系数是保温材料最重要的性质，作为保温材料要求导热系数越小越好。保温材料的导热系数主要取决于其内所含空气泡或空气层的大小及其分布状态，与构成保温材料的固体性质关系较小。静止空气的导热系数很低，约为0.025W/m·k，因此保温材料中所含不流动的单独小气泡或气层越多，其导热系数就越低。保温材料的导热系数还与温度和湿度有关。一般讲，容重增加，导热系数增加；水份增加，导热系数也增高；温度增高，导热系数成直线地增加。

2）耐温性好，性能稳定，能长期使用。不同的保温材料有不同的使用温度范围。

3）容重小，一般不宜超过600kg/m3。容重小，不但导热系数低，而且可以减轻保温管道的支架。

4）有一定的机械强度，能满足施工的要求，一般其抗压强度应≥0.3MPa。

5）无毒，对金属无腐蚀作用。

6）可燃物和水分含量极少，易于加工成型。

7）价格便宜。

2. 对防护层的要求

为了长期可靠，保温层外面通常还要加一层防护层，对防护层的要求如下：

1）好的防水性能。

2）耐压强度好，一般不低于80MPa,不易燃烧。

3）50℃时的导热系数不超过0.33W/(m•k)。

4）在温度变化或振动的情况下，不易开裂或脱皮。

5）含可燃物或有机物极少，一般应不大于10%

3. 常用保温材料的热物理性能

表1给出了常用保温材料的热物理性质。更详细的资料可查阅有关的手册。

表1 常用保温材料及其制品的热物理性质

材料名称	密度（kg/m3）	导热系数（W/m·K）	适用温度（℃）
两相流闸阀膨胀珍珠岩类：散料：一级二级三级水泥珍珠岩板水玻璃珍珠岩板憎水珍珠岩制品	≤80 80~150 150~250 250~400 200~300 200~300	≤0.052 0.052~0.064 0.064~0.076 0.058~0.087 0.056~0.065 0.058	~200 ~800 ≤600 ≤650
普通玻璃棉类：中级纤维淀粉粘结制品中级纤维酚醛树脂制品玻璃棉沥青粘结制品	100~130 120~150 100~170	0.040~0.047 0.041~0.047 0.041~0.058	-35~300 -35~350 -20~250
超细玻璃棉类：超细棉（原棉）超细棉无脂毡缝合垫无碱超细棉	18~30 60~80 60~80	≤0.035 ≤0.035	-100~450 -120~400 -120~600
石棉类：石棉绳石棉碳酸镁管硅藻土石棉灰泡沫石棉	590~730 360~450 280~380 40~50	0.070~0.209 0.064+0.00033t 0.066+0.00015t 0.038+0.00023t	<500 <300 <900 <500
硅藻土类：硅藻土保温管和板石棉硅藻土胶泥	<550 <660	0.063+0.00014t 0.151+0.00014t	<900
泡沫混凝土类：水泥泡沫混凝土粉煤灰泡沫混凝土	<500 300~700	0.127+0.0003t 0.15~0.163	<300 <300
硅酸铝纤维类：硅酸铝纤维板硅酸铝纤维毡硅酸铝纤维管壳	150~200 180 300~380	0.047+0.00012t 0.016~0.047 0.047+0.00012t	≤1000 ≤1000 ≤1000
泡沫塑料可发性聚苯乙烯泡沫板可发性聚苯乙烯泡沫管壳硬质聚氨脂泡沫塑料制品软质聚氨脂泡沫塑料制品	20~50 20~50 30~50 30~42	0.031~0.047 0.031~0.047 0.023~0.029 0.023	-80~75 -80~75 -80~100 -50~100

注：t为保温材料的平均温度（℃）

四管道保温计算

管道保温计算有两个目的，一是计算所需保温材料的厚度；二是计算每米长管道的热损失或核算保温材料的外表面温度。

1. 架空管道

（1）基本公式

如图2所示，为简单起见，假设只包一层保温材料，其厚度为δ。管子内直径为d1，外直径为d2，管内热介质的温度为t铠装加热电缆f1，周围环境的温度为tf2；假设管内壁的温度为tw1，管外壁的温度为tw2，保温层外表面的温度为tw，天空的温度为ts。该图还给出了这一系统的串联热阻图。

假设管道各部分的分热阻为Ri，则通过每米长管道的径向热损失（不包括管道附件的热损失）为：

（W/m） (1)

其中各部分的分热阻为：

1）热介质与管内壁之间的对流换热热阻R1

(m•K/W) （2）

式中，为热介质对管壁的对流换热系数，W/（m2•K）。

2）管壁的热阻R2

(m•K/W) (3)

式中，为金属管壁的导热系数，W/(m•K)。

3）保温层的热阻R3

(m•K/W) (4)

式中，为保温材料的导热系数，W/(m•K)。

4）保温层外表面对周围环境的对流换热热阻R4

(m•K/W) (5)

式中，为保温层外表面对周围环境的对流换热系数，W/（m2•K）。

5）保温层外表面对天空的辐射热阻R5

(m•K/W) （6）

式中, 为保温层外表面对天空的辐射换热系数， W/（m2•K）。

在应用上述基本公式时有两点要注意：

1）保温材料的导热系数λi与温度有关，大多数情况下λi与温度成直线关系，即

（7）

对于不同的保温材料，λo和比例系数b可由表8—9或有关手册查到。

2）如采用多层保温材料，则保温层的热阻R3应为各层保温材料的热阻之和。

（2）基本公式的简化

为计算简单起见，从工程应用出发，常对基本公式进行如下的简化：

1）因为包上保温材料后，管内对流换热的阻R1，金属管壁的导热热阻R2，相对于R3、R4和R5而言常小到可以忽略不计。这样保温层内表面的温度 tw2就可以近似认为等于热介质的温度tf1。

2）一般保温层外表面的温度均不高，这时保温层外表面的对流换热系数α2和辐射换热系数α3之和，即保温层外表面的总换热系数α，可以用下面的简化公式进行计算。

室内管道：

W/（m2•线切K） (8)

室外管道：

W/（m2•K） (9)

式中，w为风速，m/s。

由于采用总换热系数α，R4和R4可以合并为R6，即

（10）

由此得简化公式

( W/m) (11)

或

( W/m) (12)

上述简化给保温计算带来很大的方便。

（3）容许热损失的确定

为满足工艺要求的容许热损失，一般需要计算；对于其它情况，容许热损失可参考表2和表3。

表2 室内保温管道表面容许的热损失（保温表面和周围空气的温差为20℃）

制作防爆墙的单位

管道外径（mm）	热介质温度
	60	70	100	125	150	160	200	225	250
	容许热损失QL (W/m)
20	17.4	26.7	37.2	43.0	48.8	50.0	55.8	64.0	73.3
32	31.4	34.9	44.2	51.2	58.2	62.8	69.8	77.9	87.2
48	37.2	44.2	55.8	62.8	69.8	73 3	84.9	93.0	101.2
57	43.0	50.0	62.8	68.6	75.6	79.1	93.0	102.3	110.5
76	53.5	61.6	69.8	84.9	91.9	95.4	110.8	119.8	130.3
89	60.5	69.8	86.1	94.2	102.3	105.8	118.6	129.1	139.5
108	68.8	81.4	98.9	108.2	116.3	119.8	133.7	144.2	154.7
133	81.4	98.9	116.3	125.6	133.7	137.2	153.5	164.0	174.5
159	93.0	110.5	127.9	139.6	151.2	154.7	168.6	180.3	191.9
194	116.3	133.7	157.0	168.6	180.3	183.8	197.7	209.3	221.0
219	食品安全检测试纸122.1	145.4	174.5	183.8	191.9	196.5	215.2	226.8	238.4
273	151.2	180.3	209.3	218.6	226.8	231.4	250.0	261.7	273.3
325	180.3	215.2	238.4	250.0	261.7	265.3	284.9	296.6	308.2
377	203.5	238.4	273.3	284.9	296.6	301.2	319.8	334.9	348.9
汽车扎带426	226.8	273.3	302.4	314.0	325.6	331.5	354.7	369.8	383.8

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